Počítačové modelování chemických reakcí a enzymové katalýzy - MC260P87

• Anglický název: Computer Simulations of Chemical Reactions and Enzyme Catalysis
• Český název: Počítačové modelování chemických reakcí a enzymové katalýzy
• Zajišťuje: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2014
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 3
• Způsob provedení zkoušky: zimní s.:
• Rozsah, examinace: zimní s.:2/0, Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: prof. Mgr. Lubomír Rulíšek, DSc.
• Je neslučitelnost pro: MC260P131

Anotace

čeština

Počítačové modelování chemických a biochemických procesů, především organické a bioanorganické reaktivity včetně enzymových reakcí, tvoří neodělitelnou součást našeho porozumění těmto procesům na atomové či dokonce elektronové úrovni. Náplní tohoto kurzu je seznámení se s moderními metodami teoretické a výpočetní chemie, které mohou vést k dosažení tohoto cíle. Důraz je kladen na kombinované metody kvantové mechaniky a molekulové mechaniky (QM/MM), praktické používání statistické mechaniky včetně teorie tranzitního stavu a jeho vztahu k reaktivitě a seletivitě, vysvětlení principů moderních solvatačních metod, použití molekulové dynamiky ke statistickému vzorkování fázového prostoru, srovnávání vypočtených dat s experimentálními daty a kritické zhodnocení vhodnosti jednotlivých metod pro řešení praktických problémů. V neposlední se v kurzu zmíní i redoxní procesy v bioanorganických systémech a způsoby jejich teoretického popisu. Přednášky jsou vedeny - po dohodě - v angličtině.

Poslední úprava: Rulíšek Lubomír, prof. Mgr., DSc. (26.06.2019)

angličtina

Computer modeling of chemical and biochemical processes, such as organic and bioinorganic reactions, including enzymatic reactions, is an integral part of our understanding of these processes at atomic or even electron level. The aim of this course is to get acquainted with modern methods of theoretical and computational chemistry. Emphasis is placed on combined methods of quantum mechanics and molecular mechanics (QM / MM), practical use of statistical mechanics including the theory of transition state and its relation to chemical reactivity and selectivity, explanation of the principles of modern solvation methods, use of molecular dynamics for statistical sampling of phase space, comparison of calculated data with experimental data and critical evaluation of the suitability of individual methods for solving practical problems. Last but not least, the course also deals with the redox processes in bioanorganic systems and the methods of their theoretical description. Lectures are held - after an agreement - in English.

Poslední úprava: Rulíšek Lubomír, prof. Mgr., DSc. (26.06.2019)

Literatura

F. Jensen: Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999.

Christopher J. Cramer: Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, Wiley, 2004.

A.R. Leach: Molecular Modelling: Principles and Applications

Robert A. Copeland: ENZYMES: A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and Data Analysis

W. Thiel, H. M. Senn: QM/MM Methods for Biological Systems. Top Curr Chem (2007) 268: 173–290

A. Warshel: Computer Modeling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions, Wiley, 1997.

Poslední úprava: Rulíšek Lubomír, prof. Mgr., DSc. (19.04.2018)

Požadavky ke zkoušce

čeština

Zkouška se koná formou vypracování domacích úkolů zadaných na konci kurzu a krátkým ústním pohovorem. Od studenta se požaduje hlubší porozumění studované problematice,
tj. základním principům enzymové katalýzy a chemické reaktivity, bez nutnosti detailní znalosti všech rovnic a jejich odvození.

Poslední úprava: Rulíšek Lubomír, prof. Mgr., DSc. (19.04.2018)

angličtina

The exam takes the form of homework assignments at the end of the course and a short oral interview. A student is required to have a deeper understanding of the subject, that is to understand basic principles of enzyme catalysis and chemical reactivity, without the need for detailed knowledge of all equations and their derivation.

Poslední úprava: Rulíšek Lubomír, prof. Mgr., DSc. (26.06.2019)

Sylabus

čeština

1/ Kvantová mechanmika: Principy, metody a praktické použití

2/ Molekulová mechanika: Principy, metody a praktické použití

3/ Solvatační metody: Metody polarizovaného kontinua (PCM, COSMO, COSMO-RS), explicitní solvatace

4/ Metody QM/MM a Metody Minimalizace Energie: Teorie, aplikace, a příklady

5/ Statistická Termodynamika: Základní koncepty (partiční funkce, Boltzmannovo rozdělení, entropie, enthalpie, volná energie)

6/ Poruchové metody výpočtu volné energie (termodynamická integrace) a metody potenciálu střední síly (PMF): Koncept, teorie a aplikace

7/ Teorie tranzitního stavu: Eyringova rovnice (teorie, aplikovatelnost a omezení, kinetický isotopový efekt, korekce na tunelování), pokročilejší teorie (variační teorie tranzitního stavu)

8/ (Bio)katalýza - koncepty: Kineticko-termodynamické korelace (BEP princip, Westheimerův efekt); Marcusova teorie přenosu elektronu, adiabatická versus neadiabaticá rekační dynamika; aplikace

9/ Modelování chemických reakcí v roztoku a v enzymech: teorie a aplikace (reakční mechanismy: hledání tranzitních stavů, hledání kroku určujícího rychlost reakce ve vícekrokových reakcích), ionty kovů v roztoku a v enzymech, reakční selektivita, modelové studie (např. aktivace vazeb C-H, hydroxylace vs. halogenace vs. desaturace).

Poslední úprava: Rulíšek Lubomír, prof. Mgr., DSc. (26.06.2019)

angličtina

1/ Quantum Mechanics: Key Concepts, Methods, and Machinery

2/ Molecular Mechanics: Key Concepts, Methods, and Machinery

3/ Solvation Methods: Polarized Continuum Methods (PCM, COSMO, COSMO-RS), Explicit Solvation

4/ QM/MM Methods and Energy Minimization: Background, Theory, Applications, and Examples

5/ Statistical Thermodynamics: Essential Concepts (Partition Functions, Boltzmann Population, Entropy, Enthalpy, Free Energy)

6/ Free Energy Perturbation (Thermodynamic Integration) and PMF Methods: Concept, Theory, Applications

7/ Transition State Theory: Eyring Equation (Theory, Applicability and Limitations, Kinetic Isotope Effects, Tunneling Correction), More Advanced Theories (Variational Transition State Theory)

8/ Concepts in (Bio)Catalysis: Kinetic/thermodynamic correlations (BEP principle, Westheimer Effect); Marcus Theory for Electron Transfer and Beyond, adiabatic versus non-adiabatic reaction dynamics; Applications

9/ Modelling Chemical Reactions in Solution vs. Enzymes: Theory and Applications (Reaction Mechanisms: Search for Transition States, Search for Rate-Determining Step in Multistep Reactions), Metals in Solution vs Enzymes (Entantic States, Electronic Structure Contributions to Reactivity), Reaction Selectivity - Case Studies (eg. C-H bond Activation, hydroxylation vs. halogenation vs. desaturation).

Poslední úprava: Rulíšek Lubomír, prof. Mgr., DSc. (26.06.2019)